Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Обоснование параметров и режимов работы лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом
Шаров Андрей Викторович
05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Воронеж - 2021
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» (ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»).
|
Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: |
доктор технических наук, профессор, Попиков Петр Иванович Рыбак Александр Тимофеевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», кафедра приборостроения и биомедицинской инженерии, профессор Есков Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра лесного хозяйства и ландшафтного строительства, заведующий кафедрой Федеральное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства» (г. Пушкино). |
Защита диссертации состоится 02 июля 2021 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» по адресу: 394087,
г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова http://www.vgltu.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacij-v--sovete-d-212-034-02
Автореферат разослан «20» мая 2021 г.
|
Ученый секретарь диссертационного совета |
Алексей Дмитриевич Платонов |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
машина орудие фреза метатель лесной пожар
Актуальность исследования. В настоящее время в лесном комплексе самым распространенным способом предупреждения и тушения лесных низовых пожаров является прокладка минерализованных полос и канав с применением лесных плугов и канавокопателей (ПКЛ-70, ПЛ-1, ПЛО-400), фрезерных полосопрокладывателей и грунтометательных машин (ПФ-1, АЛФ-10 и ГТ-3). Однако лесные плуги не способны создавать минерализованную полосу достаточной ширины за один проход агрегата, а грунтометательные машины малоэффективны, поскольку они агрегатируются с движителями с механизмом для получения особо низких рабочих скоростей, а фрезерные рабочие органы работают в контакте с верхним задернелым пластом земляного покрова, что значительно понижает качество выполнения технологических операций при ликвидации пожара. Поэтому появились орудия с комбинированными рабочими органами с предварительной подготовкой почвенного вала пассивными рабочими органами перед фрезами-метателями. Однако грунтометы-полосопрокладыватели снабжены громоздким механическим приводом, что значительно снижает надежность орудия, а фрезы хотя и взаимодействуют с подготовленным грунтом, но возможен контакт активного рабочего органа с корневой системой и невыкорчеванными пнями.
В настоящее время на строительных и дорожных машинах широко используется энергосберегающий гидропривод технологического оборудования и активных рабочих органов, который позволяет добиться снижения динамической нагруженности и энергозатрат за счет демпфирующих свойств и возвращения накопленной энергии в гидроаккумуляторе обратно в гидросистему. Известные на данный момент теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов лесных машин, использующих в своей конструкции энергосберегающий гидропривод рабочих органов, недостаточно полно описывают динамику процессов, возникающих в гидросистеме при взаимодействии активных рабочих органов с почвой и препятствиями. В связи с этим необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований новых конструкций лесопожарных грунтометательных машин с энергосберегающим гидроприводом активных рабочих органов, позволяющих повысить эффективность создания противопожарных полос и тушения кромки лесных низовых пожаров, поэтому тема диссертации является актуальной.
Диссертация выполнена в рамках госбюджетной тематики «Разработка и обоснование параметров рабочих органов грунтометательной машины для тушения низовых пожаров», шифр: 116092210006, сроки выполнения с 2016 по 2020 гг..
Степень разработанности темы исследования. Изучением рабочих процессов лесопожарных машин занимались многие ученые такие как: А.Н. Чукичев, И.М. Бартенев, И.В. Григорьев, М.В. Драпалюк, П.М. Мазуркин, А.М. Цыпук, С.В. Фокин, В.И. Казаков, Н.А. Коршунов, И.С. Федорченко, Д.В. Есков и др. Вопросами применения энергосберегающего гидропривода рабочих органов и технологического оборудования занимались В.И. Посметьев, А.Т. Рыбак, В.Ф. Щербаков, П.И. Попиков и др. Установлено, что повышение эффективности грунтометательных машин достигается при предварительной подготовке почвогрунта перед фрезерными метательными рабочими органами. Но проведенных исследований недостаточно для совершенствования рабочих процессов более эффективных орудий с гидроприводом активных рабочих органов. Разработка и создание лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом требует дополнительных исследований динамических и кинематических характеристик при взаимодействии ротора-метателя с почвой и препятствиями в рабочих режимах.
Цель и задачи исследования. Совершенствование рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины за счет обоснования и оптимизации параметров и режимов работы энергосберегающего гидропривода.
Исходя из поставленной цели, были сформированы следующие задачи:
1) обосновать конструктивно-технологическую схему и рабочий процесс лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом;
2) разработать математическую модель рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом для оценки энергоемкости, динамической нагруженности и качественных показателей;
3) получить динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом;
4) обосновать и оптимизировать параметры энергосберегающего гидропривода, разработать экспериментальный образец лесопожарной грунтометательной машины, провести испытания и определить ожидаемый экономический эффект от его применения.
Объектом исследования являются энергосберегающий гидропривод, лесопожарная грунтометательная машина, лесной почвогрунт.
Предметом исследования являются динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом.
Научная новизна работы:
1. Рабочий процесс новой лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, отличающийся снижением энергоемкости, динамической нагруженности и повышением производительности.
2. Математическая модель рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины, отличающаяся тем, что учтено влияние параметров энергосберегающего гидропривода на динамическую нагруженность, энергоемкость и качественные показатели рабочих режимов.
3. Выявлены динамические и кинематические характеристики рабочих процессов энергосберегающего гидропривода, отличающиеся учетом взаимодействия ротора-метателя с препятствиями и почвогрунтом.
4. Обоснованы параметры энергосберегающего гидропривода, отличающиеся оптимальными значениями по критериям уменьшения энергоемкости и динамической нагруженности рабочих режимов лесопожарной грунтометательной машины.
Теоретическая значимость работы заключена в расширении теории динамики энергосберегающего гидропривода грунтометательной машины с учетом влияния процесса взаимодействия ротора-метателя с лесной почвой и препятствиями.
Практическая значимость работы состоит в создании опытного образца грунтомета с энергосберегающим гидроприводом, а также разработке рекомендаций по назначению основных параметров режимов работы проектируемой конструкции.
Основные результаты диссертации внедрены в ООО «Сталь-Синтез», Новоусманском филиале СГБУ ВО «Воронежский лесопожарный центр» и в учебном процессе ФГБУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования базировались на математическом и имитационном моделировании рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом, теории планирования эксперимента, а также теории вероятностей, математической статистики и статистической динамики.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Рабочий процесс лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, позволяющий снизить энергоемкость, динамическую нагруженность и повысить производительность.
2. Математическая модель рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины, позволяющая обосновать параметры нового энергосберегающего гидропривода и оценить эффективность его работы.
3. Динамические и кинематические характеристики рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины, позволяющие учитывать взаимодействия ротора-метателя с препятствиями и почвогрунтом.
4. Обоснованные параметры энергосберегающего гидропривода, позволяющие понизить динамическую нагруженность и энергоёмкость рабочих процессов лесопожарной грунтометательной машины.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований опытного образца лесопожарной грунтометательной машины, высоким процентом совпадения результатов теоретических исследований с полученными экспериментальными данными; использованием современных методов планирования экспериментов и обработки полученных экспериментальных результатов.
Основные результаты диссертации доложены на трех международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2017, 2018 гг.), двух всероссийских научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2018, 2019 гг.), а также ежегодных научно-практических конференциях ФГБУ ВО ВГЛТУ (2015-2021 гг.).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Результаты, полученные при проведении научных исследований, соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта научной специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Личный вклад автора заключается в проведении анализа конструкций и рабочих процессов отечественных и зарубежных лесопожарных грунтометов, разработке новой грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом и математической модели ее рабочего процесса, в изготовлении опытного образца, проведении полевых исследований и обработке их результатов, в подготовке основных публикаций по теме диссертации.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 научных статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК по специальности, 7 научных статей в материалах международных и всероссийских конференций, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 статья в базе данных Scopus, 1 заявка подана в Роспатент на госрегистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 105 наименований использованных источников, в т.ч. 10 иностранных, приложений. Работа изложена на 135 страницах печатного текста, включая 107 страниц основного текста, 28 страниц библиографического списка и приложений, 62 иллюстраций, 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена общая характеристика работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость научных исследований.
В первой главе дан анализ способов и технических средств предупреждения и тушения лесных низовых пожаров, проведенных научно-исследовательских работ по исследованию динамики энергосберегающего гидропривода активных рабочих органов технологических машин. Установлено, что в лесном хозяйстве перспективными являются лесопожарные грунтометательные машины, совмещающие в своей конструкции комбинированные пассивные и активные рабочие органы с энергосберегающим гидроприводом.
Во второй главе приведены теоретические исследования, направленные на разработку и решение математической модели рабочего процесса новой лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом, конструкция которой защищена патентом на изобретение РФ № 2616021и патентом на полезную модель № 196851 (рисунок 1).
а) б)
а) 1 - рама; 2 - механизм навески; 3 - ротор-метатель; 4 - лопатки; 5 - рубящие ножи; 6 - кожух-рыхлитель; 7 - лемех; 8 - окна; 9 - предохранительные ножи; 10 - опорная лыжа; 11 - гидромотор; 12 - пневмогидравлический аккумулятор; б) гидронасос - H, гидромотор - М, пневмогидравлический аккумулятор - А, эффективный трубопровод - Т, предохранительный клапан - П, гидробак - С.